紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)用于農(nóng)藥變量噴灑監(jiān)測(cè)

馬偉 王秀 矯雷子 徐波

背景

由于大自然中黑體輻射現(xiàn)象，任何物體都依據(jù)溫度的不同對(duì)外進(jìn)行電磁波輻射。波長為2.0～1000 μm的部分稱為熱紅外線。熱紅外成像利用熱紅外敏感CCD對(duì)物體進(jìn)行成像，能反映出物體表面的溫度場(chǎng)。紅外熱成像的物理學(xué)原理就是一個(gè)自然的生物紅外輻射源，不斷向周圍發(fā)射和吸收紅外輻射。

正常植株的溫度分布具有一定的穩(wěn)定性和特征性，葉片、莖桿各部位溫度不同，形成了不同的熱場(chǎng)。當(dāng)植物遭受病害脅迫時(shí)，植株根部或葉片等部位發(fā)生疾病或功能改變時(shí)，會(huì)造成氣孔異質(zhì)性開閉，水分調(diào)節(jié)失衡，葉表溫度異常改變。該處植株組織相應(yīng)發(fā)生的變化導(dǎo)致植株的局部溫度表現(xiàn)為溫度偏高或偏低。熱成像系統(tǒng)采集植株紅外輻射信息，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，按照溫度分布提取添加顏色，形成偽色彩熱圖，利用專用分析軟件可得出圖像上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度信息用來分析，最終能夠判斷出植株病灶的部位、類別和嚴(yán)重程度，通過作物靶標(biāo)信息采集為變量施藥提供依據(jù)，圖1為基于紅外熱成像的變量施藥原理圖。施藥的霧滴沉積關(guān)系到施藥質(zhì)量的優(yōu)劣，通過熱紅外成像獲取施藥前后的作物靶標(biāo)信息差異，可以獲得霧滴在靶標(biāo)上的沉積水平，對(duì)施藥參數(shù)的優(yōu)化提供參考。

信息獲取

變量施藥首要的工作是靶標(biāo)作物的信息獲取。信息獲取是變量施藥的基礎(chǔ)，根據(jù)獲得的施藥對(duì)象作物的信息來調(diào)整施藥控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)“有的放矢”的按需施藥控制，主要包括靶標(biāo)物理形態(tài)的識(shí)別和定位、作物病害信息的早期檢測(cè)。

紅外熱成像系統(tǒng)的作物識(shí)別

紅外熱成像系統(tǒng)獲取作物的外輪廓圖像時(shí)，由于受到外界環(huán)境溫度的干擾，及其自身成像技術(shù)的限制，作物輪廓成像信息邊緣和背景的區(qū)分存在一定難度。通過圖像處理算法的研究有助于提升識(shí)別的精度，其中基于蟻群算法的植株熱紅外圖像邊緣檢測(cè)取得較好的效果。陳浩等[1]針對(duì)熱紅外圖像目標(biāo)與背景區(qū)分不明顯、效果模糊，以及采用傳統(tǒng)的Roberts、Sobel、Canny等邊緣檢測(cè)方法難以取得理想檢測(cè)效果的特點(diǎn)經(jīng)過嘗試改進(jìn)，首次將蟻群優(yōu)化算法應(yīng)用于熱紅外圖像邊緣檢測(cè)。該算法主要步驟由初始化過程開始，進(jìn)行N步迭代構(gòu)造信息素矩陣，然后執(zhí)行信息素過更新過程，最后圖像邊緣由決策過程給出。測(cè)試以玉米植株為對(duì)象，結(jié)果表明，該算法與傳統(tǒng)邊緣檢測(cè)算法相比優(yōu)勢(shì)明顯，能夠較好地得到邊緣檢測(cè)結(jié)果，可為基于紅外熱成像的靶標(biāo)輪廓識(shí)別圖像處理提供一種新的方法。浙江大學(xué)徐惠榮[2]為了解決光線強(qiáng)弱、樹葉遮擋對(duì)機(jī)器識(shí)別作物的干擾，利用紅外輻射識(shí)別和定位作物，對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行向?qū)?，?jīng)過熱紅外圖像分割運(yùn)算，得到很好的識(shí)別效果，為全天候的靶標(biāo)識(shí)別和定位提供了一種技術(shù)手段。周建民等[3]將紅外熱成像技術(shù)引入到樹上板栗的機(jī)器識(shí)別檢測(cè)當(dāng)中，通過樹上板栗紅外熱成像信息研究正常板栗果、壞死果以及空心果的紅外輻射差異，對(duì)獲取的熱圖像進(jìn)行溫度校正、閾值分割、特征提取、目標(biāo)標(biāo)識(shí)，取得很好的效果。這些識(shí)別手段都可以為變量施藥提供決策基礎(chǔ)。

作物病害信息的檢測(cè)

通過信息化手段對(duì)作物病害信息實(shí)施檢測(cè)，將患病的植株識(shí)別出來，按照患病組和不患病組進(jìn)行施藥也是變量施藥信息獲取的重要目的。采用紅外熱成像技術(shù)手段能通過獲取作物脅迫的圖像信息來快速識(shí)別病害信息。當(dāng)植物遭受非侵染性病害時(shí)，其膜結(jié)構(gòu)首先遭到破壞，隨之代謝結(jié)構(gòu)發(fā)生紊亂，水分調(diào)節(jié)失調(diào)，其表面的溫度就會(huì)產(chǎn)生異常的分布。當(dāng)植物受到侵染性病害的危害時(shí)，細(xì)胞膜的膜透性就發(fā)生變化，葉片的細(xì)胞內(nèi)水分相對(duì)流失過快，引發(fā)葉片氣孔的變化調(diào)節(jié)細(xì)胞水勢(shì)的變化，同時(shí)有些真菌分泌物也會(huì)關(guān)閉氣孔，另外植物本身的自衛(wèi)系統(tǒng)激素的積累也會(huì)引起植物氣孔的異常開閉。氣孔的異質(zhì)性開閉引發(fā)氣孔導(dǎo)度和蒸騰強(qiáng)度等諸多生理指標(biāo)的改變，從而改變?nèi)~片表面熱量異常變化。這就為基于溫度變化檢測(cè)的熱紅外成像技術(shù)提供了機(jī)理基礎(chǔ)。當(dāng)病原物侵染植物后，在潛伏期內(nèi)的植物葉片的溫度就會(huì)升高或降低，葉片最大溫差（MTD）逐漸曾大，這為早期檢測(cè)提供了窗口期。黃瓜、番茄花葉病等研究已經(jīng)初步得到驗(yàn)證。研究表明在溫室內(nèi)，紅外熱成像技術(shù)能很好的將潛伏期的感病組和健康組區(qū)分出來，實(shí)現(xiàn)對(duì)作物病害信息檢測(cè)的目的。徐小龍[4]基于紅外熱成像技術(shù)對(duì)植物病害進(jìn)行早期診斷，研究表明該技術(shù)可以為人們有效的控制植物病害的大規(guī)模蔓延爭(zhēng)取寶貴時(shí)間，將植物病害消滅在萌芽階段，從而達(dá)到提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量的目的，而且還可以大幅度的減少農(nóng)藥使用量。

藥械噴藥霧滴沉積監(jiān)測(cè)

藥械噴藥霧滴沉積的空間分布是施藥質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，快速的獲取其空間分布數(shù)據(jù)對(duì)于藥械參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化具有重要的作用。張京等[5]基于紅外熱成像技術(shù)研究采用新型無人駕駛直升機(jī)進(jìn)行航空噴藥，其噴霧參數(shù)對(duì)藥液霧滴沉積效果的影響。通過選用紅外熱像儀測(cè)試噴霧前、后作物冠層溫度，通過溫度變化率反映霧滴在水稻冠層的沉積效果。研究結(jié)果表明，以霧滴沉積量與冠層溫度變化率為評(píng)價(jià)指標(biāo)得到的結(jié)果一致，紅外熱成像技術(shù)可以準(zhǔn)確反映霧滴在水稻上的沉積規(guī)律。通過基于紅外熱成像的霧滴沉積研究?jī)?yōu)化了無人駕駛直升機(jī)作業(yè)噴霧參數(shù)為：飛行高度2 m、飛行速度1.5 m/s。這對(duì)于霧滴沉積快速監(jiān)測(cè)提供了新的技術(shù)手段和方法。

結(jié)論

綜上所述，本文分析熱紅外用于變量施藥監(jiān)測(cè)的可行性，如同周建民等[6]所述其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)于變量施藥監(jiān)測(cè)而言有以下問題：①紅外熱成像技術(shù)若用于變量施藥在大田環(huán)境中容易受到氣候的影響，成像精度不是很理想。在溫室中有較好的效果。② 作物靶標(biāo)感染葉片和正常葉片間有約1℃的溫度差異，若用于變量施藥監(jiān)測(cè)用途，作為非破壞性的一種檢測(cè)方法，可選取輔助加熱或冷藏來提高靶標(biāo)葉片檢測(cè)信息準(zhǔn)確性。

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*項(xiàng)目支持：國家科技支撐項(xiàng)目（2014BAD06B01-17），北京市創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)崗位專家項(xiàng)目。